Um dem stetig steigenden Bedarf an Bandbreite gerecht zu werden, werden zunehmend nicht mehr ausreichend performante elektronische Kommunikationskanäle durch optische Übertragungsstrecken ersetzt. Viel Forschungsarbeit konzentriert sich in den letzten Jahren die ansonsten für weite Übertragungsstrecken eingesetzten optischen Kanäle auch für kurze Distanzen einzusetzen, wie zum Beispiel die Chip zu Chip oder On-Chip Kommunikation. Die Integration von photonischen Komponenten ermöglicht den Entwurf von äußerst schnellen Transceivern, die für die immer komplexeren Modulationsformate notwendig sind. Silicon-on-Insulator hat sich hierbei als exzellente Plattform herausgestellt, da dieses Materialsystem die notwendigen optischen Eigenschaften aufweist und zusätzlich die Co-Integration von photonischen und elektronischen Bauelementen zulässt, die sich so gegenseitig in ihrer Funktionalität ergänzen können. Durch den sehr hohen Brechungsindex von Silizium in Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums lassen sich hier sehr kompakte und verlustarme Wellenleiter herstellen, die einen Durchmesser von nur wenigen hundert Nanometern aufweisen. Diese ansonsten hilfreiche Eigenschaft stellt allerdings auch eine große Schwierigkeit dar, da das Koppeln von Siliziumphotonischen Wellenleitern an externe Komponenten mit Hilfe optischer Fasern von mehreren Mikrometern Durchmesser unter Umständen sehr verlustreich ist. In dieser Arbeit wird daher das Problem der Faser-Chip-Kopplung analysiert und Lösungen basierend auf siliziumphotonischen Faser-Gitterkopplern vorgestellt. Angefangen mit einem sehr einfachen Koppelgitter, das für den Wellenlängenbereich um λ=1310nm konzipiert ist und eine gemessene Koppeleffizienz von -3.8dB aufweist, werden weiter verfeinerte Gitterkoppler für die Betriebswellenlänge von λ=1550nm vorgestellt. Mit einer lokal auf dem Gitterkoppler gewachsenen epitaktischen Siliziumschicht werden 1.7dB Verlust erzielt, der weiter verringert werden kann, wenn - wie durch Simulationen gezeigt - ein zweiter Ätzschritt dem ansonsten uniformen Gitter hinzugefügt wird. Im Anschluss wird die Frage diskutiert, wie ein optimales Koppelgitter unter Einhaltung bestimmter technologischer Einschränkungen auszusehen hat, wenn man bedenkt, dass bereits eine leichte Nichtuniformität gute Verbesserungen der Koppeleffizienz zur Folge hat. Zwei metaheuristische Suchalgorithmen wurden eingesetzt und solche Koppelgitter zu erzeugen, die schlussendlich eine theoretische Koppeleffizienz von -0.7dB aufwiesen. Zusätzlich zu den bisherigen Untersuchungen wurden polarisationsteilende, zweidimensionale Gitter untersucht, die eine gemessene Koppeleffizienz von -5.8dB zeigten, wobei eine geometrische Transformation, die man an diesen Gittern vornehmen kann, dieses Wert noch einmal steigern kann. Die letzte Untersuchung befasst sich mit einem Gitter, das zur Kopplung von höheren Fasermoden konzipiert ist. Durch eine Beleuchtung des Koppelgitters von gegenüberliegenden Enden aus und durch die Ausnutzung der ersten höheren Mode des integrierten Wellenleiters können die Fasermoden LP01, LP11,a, LP11,b und LP21,a in zwei orthogonalen Polarisationen erzeugt werden.


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    Title :

    Integrated fiber grating couplers in silicon photonics


    Additional title:

    Integrierte siliziumphotonische Faserkoppelgitter


    Contributors:

    Publication date :

    2015



    Type of media :

    Miscellaneous


    Type of material :

    Electronic Resource


    Language :

    English



    Classification :

    DDC:    629



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